Thermal sensation and comfort model for inhomogeneous indoor environments

Streblow, Rita; Müller, Dirk

doi:30290

Thermal sensation and comfort model for inhomogeneous indoor environments = Thermisches Komfortmodell für inhomogene Umgebungsbedingungen

Streblow, Rita (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Rita Streblow

Ausgabe1. Aufl.

ImpressumAachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen Univ. 2011

UmfangXIV, 132 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-942789-00-4

ReiheEnergy efficient buildings and indoor climate : EBC ; 1

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Müller, Dirk (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-05-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-35619
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63990/files/3561.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Computersimulation (Genormte SW) ; Optimierung (Genormte SW) ; Behaglichkeit (Genormte SW) ; Innenraum (Genormte SW) ; Modelica (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Komfortmodell (frei) ; gekoppelte Simulation (frei) ; thermal comfort (frei) ; thermal comfort model (frei) ; optimization (frei) ; indoor (frei) ; modelica (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
ccs: J.2

Kurzfassung
Gegenstand dieser Arbeit ist die thermische Behaglichkeit in komplexen ungleichförmigen Innenräumen, die am Beispiel der Situation in Flugzeugkabinen betrachtet wird. Unter ungleichförmigen Bedingungen ist es schwierig einen akzepatblen oder behaglichen Bereich lediglich durch die Betrachtung des thermischen Gesamtzustandes zu definieren. Komplexe thermische Umgebungen sind durch grosse thermische Unterschiede im Aufenthaltsbereich der Nutzer bestimmt. Dies bedeutet, dass Standardkomfortmodelle, die den menschlichen Körper als eine einzige Zone betrachten, im Fall von ungleichförmigen Umgebungen versagen. Eindeutige Aussagen sind nur durch die Betrachtung lokaler Effekte möglich. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte 33-Knotenmodell (33 NCM) untergliedert daher den menschlichen Körper in 16 einzelne Segmente mit einer weiteren Differenzierung in ein Kern- und ein Hautsegment. Es führt die auf Basis eines physiologischen Modells bestimmten Körpertemperaturen durch weitere Anwendung eines psychologischen Modells in ein lokales thermisches Empfinden und eine Komfortbewertung über. Das lokale thermische Empfinden und der lokale Komfort wiederum sind über ein gewichtetes Mittel als Gesamtempfinden und Gesamtkomfort darstellbar. Die in die Entwicklung des physiologischen und des psychologischen Modells integrierten Ansätze basieren auf einer begrenzten Anzahl an Experimenten. Diese unterliegen nur teilweise bekannten Randbedingungen und weisen intra- und inter-individuelle Unterschiede auf. Um eine maximale Übereinstimmung zwischen Simulation und eigenen experimentellen Daten zu erzielen, wird das Gesamtmodell in einem automatsierten Kalibrierungsprozess optimiert. Die Gültigkeit der ermittelten Parameter ist somit auf den betrachteten Anwendungsfall beschränkt. Die verwendeten experimentellen Daten geben das thermische Empfinden und die Komfortbewertung von sitzenden Passagieren in einer Flugzeugkabine mit einer Klimatisierung über Misch- oder Quelllüftung wieder. Durch die prinzipielle Allgemeingültigkeit der zugrunde gelegten Modelle kann der gesamte Prozess jedoch auf jede andere Innenraumsituation übertragen werden. Das Buch gibt zunächst eine Einführung in die massgeblichen Prozesse der menschlichen Physiologie. Von der Physiologie und der Definition des thermischen Körperzustands ausgehend, wird in die entsprechenden Reaktionen hinsichtlich Empfinden und Komfort eingeführt. Kapitel vier betrachtet die unterschiedlichen Aspekte und daraus abgeleiteten Komfortmodelle. Die Entwicklung des 33 NCM basiert auf experimentellen Untersuchungen (Kapitel fünf) und numerischen Strömungsberechnungen (Kapitel sechs) zur genaueren Bestimmung der thermischenUmgebungsbedingungen. Das grundlegende mathematische Modell wird in Kapitel sieben erläutert. Kapitel acht stellt den verwendeten Optimierungsprozess für die Kalibrierung desModells dar. Für dessen Validierung werden neben eigenen experimentellen Daten Testfälle aus der Literatur herangezogen (Kapitel neun). Kapitel zehn erläutert die Anwendung des 33 NCM sowohl als unabhängiges Simulationsmodell als auch in einer mittels numerischer Strömungssimulation gekoppelten Berechnung.

The subject of this work is thermal comfort in complex non-uniform environments with special regard to aircraft cabins. Under non-uniform conditions, it is difficult to define an acceptable or comfortable range by using only the whole body thermal sensation vote. In complex thermal environments,large thermal differences exist around the occupants. This means that standard comfort models, which consider the human body as one compartment fail in the case of non-uniform environments. Clear evaluations are only possible by considering local effects. The 33 node comfort model (33 NCM) developed for this study relates local thermal sensation and comfort in a psychological model to skin temperatures, which are defined by a physiological model. 16 single body parts are resolved with a subdivision into a core and a skin layer. The local thermal sensation and comfort of the single body parts is transformed into an overall thermal sensation and comfort vote. Since the integrated models for the physiological and psychological part are based on a limited range of experiments with only partly known boundary conditions and the effects of intra- and inter-individual differences, the whole model is calibrated with self-obtained experimental data generated in an automated optimization process. As a result, the optimized set of design parameters is limited to the field of application. The used experimental data reflect the thermal sensation and comfort votes of sitting passengers in an aircraft cabin with a mixing or displacement ventilation system. The universal validity of the underlying model makes it possible, however, to transfer the whole process to any other indoor environment. The book begins with an introduction into the fundamental principles of human physiology and goes on to derive the body’s reactions in terms of thermal sensation and comfort from human physiology and the definition of the human body state. Chapter four presents the various aspects of thermal modelling and developed models. The development of the 33 NCM is based on experiments (chapter five) and numerical flow simulations (chapter six) to collect further information on the environmental conditions. The underlying mathematical models for the 33NCMare explained in chapter seven. Chapter eight defines the optimization process used for calibrating the model. In addition to tests using the author’s own experimental data, the model is validated using data from previous research (chapter nine). Chapter ten demonstrates the application of the 33 NCM as a stand-alone model or in a coupled mode with numerical flow simulations.

Fulltext:
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